振動頻率對堆石料壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)的影響

劉天云　張兆省　皇甫澤華　張慶龍　宋金龍　徐玉杰　安再展

摘 要：振動壓實過程控制是土石方工程碾壓施工的發(fā)展方向。通過壓實質(zhì)量連續(xù)監(jiān)測技術(shù)可以實時評估當(dāng)前壓實質(zhì)量，通過振動頻率優(yōu)化技術(shù)可以提高壓實質(zhì)量和效率，但目前關(guān)于振動頻率對壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)影響的系統(tǒng)研究較少，這限制了兩種技術(shù)的結(jié)合和發(fā)展。為研究振動頻率對振動加速度頻域類壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)的影響，采用不同的振動頻率進行堆石料現(xiàn)場碾壓試驗，分析振動頻率大范圍變化時對壓實計值CMV的影響及原因。結(jié)果表明，各振動頻率下的CMV與碾壓遍數(shù)均具有較強的線性相關(guān)關(guān)系，其可以作為堆石料壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)。振動頻率對CMV的影響可分為三個區(qū)域，即近共振頻率區(qū)域，低于共振頻率區(qū)域和高于共振頻率區(qū)域。共振頻率區(qū)域振動輪-土相互作用力較大，振動非線性強烈，CMV最大;低于共振頻率區(qū)域振動輪-土相互作用力較小，不發(fā)生跳振，CMV比共振區(qū)域的小;高于共振頻率區(qū)域隨著振動頻率增大，振動輪-土相互作用減小，CMV減小。

關(guān)鍵詞：堆石料;振動頻率;CMV;碾壓試驗

中圖分類號：TV523?? 文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.022

Effect of Vibration Frequency on Compaction Quality Monitoring Index of Rockfill

LIU Tianyun1， ZHANG Zhaosheng2， HUANGFU Zehua2， ZHANG Qinglong1， SONG Jinlong3， XU Yujie3， AN Zaizhan1

（1.State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China;

2.Qianping Reservoir Construction and Management Administration， Zhengzhou 450003， China;

3.Henan Water Conservancy First Engineering Bureau， Zhengzhou 450000， China）

Abstract：The process control is the development trend of vibration compaction construction of earthwork. The current compaction quality can be evaluated in real time by continuous monitoring technology and the compaction quality and efficiency can be improved by vibration frequency optimization technology. However， there is little systematic research on the influence of vibration frequency on compaction quality monitoring index， which limits the combination and development of the two technologies. In order to study the influence of vibration frequency on the frequency domain monitoring index， the field compaction test of rockfill was carried out with different vibration frequencies. The influence of vibration frequency on CMV and the causes were analyzed. The results show that the CMV has a strong linear correlation with the number of roller passes at each vibration frequency and can be used as a monitoring index for the compaction quality of rockfill materials. The influence of vibration frequency on CMV can be divided into three regions， namely， near resonance frequency region， lower than resonance frequency region and higher than resonance frequency region. In the resonance frequency region， the wheel-soil interaction force is large and the vibration nonlinear is strong， thus the CMV is the largest. The CMV in the lower than the resonance frequency region is smaller than that of the resonance region because of the smaller wheel-soil interaction force. With the increase of the vibration frequency， the wheel-soil interaction force decreases and the CMV decreases with the increase of the vibration frequency.

Key words： rockfill materials; vibration frequency; CMV; rolling compaction test

1 研究概述

土石方振動壓實廣泛應(yīng)用于各類土木工程建設(shè)中，壓實質(zhì)量對工程安全至關(guān)重要。對土石壩而言，壓實質(zhì)量不達(dá)標(biāo)可能導(dǎo)致大壩不均勻沉降、抗滑穩(wěn)定性不足和庫水滲漏等問題[1]，嚴(yán)重危害大壩安全。目前土石壩壓實質(zhì)量檢測一般采用事中碾壓參數(shù)控制與事后試坑取樣結(jié)合的方法，工作量大，效率較低，不能對全壩面壓實質(zhì)量進行實時監(jiān)測評估。20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)振動輪加速度二次諧波幅值隨土體剛度的增大而增大，由此提出壓實計值CMV（Compaction Meter Value）作為土石料壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)[2]。此后，許多學(xué)者提出各種壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)，并結(jié)合GPS等技術(shù)研發(fā)出一些新的壓實技術(shù)，大大提高了碾壓施工效率和質(zhì)量[3-4]。隨著對振動壓實理論的深入研究發(fā)現(xiàn)振動頻率對壓實效果有重要影響。一些學(xué)者將壓路機和土視為一個動力系統(tǒng)，研究碾壓頻率對該動力系統(tǒng)的影響[5-6]。研究表明，振動頻率對壓實效果有顯著影響，對某一剛度土體存在最優(yōu)振動頻率，且隨著土體剛度的增大，最優(yōu)振動頻率增大[7-8]。另一些學(xué)者通過試驗方法對此進行了研究，如Wersll等[9-10]研究了不同振動頻率對砂礫料壓實效果的影響，王莉[11]提出碾壓過程中振動頻率的優(yōu)化方法等，生產(chǎn)廠商研發(fā)了可調(diào)節(jié)振動頻率的碾壓機[12]。但目前振動頻率優(yōu)化并沒有在實際工程中應(yīng)用，主要原因之一是振動頻率優(yōu)化建立在已知當(dāng)前壓實狀態(tài)的基礎(chǔ)上，而振動頻率的改變會導(dǎo)致壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)的變化，目前對這種影響的研究還不夠深入全面。因此，研究振動頻率對壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)的影響具有重要的工程意義。

壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)中有一類指標(biāo)是通過加速度信號頻域分析得到的，如CMV、壓實監(jiān)測值CV（Compaction Value）和壓實控制值CCV（Compaction Control Value），其本質(zhì)都是反映加速度信號的畸變程度。目前對該類指標(biāo)的工程適用性研究較多，但關(guān)于振動頻率對該類指標(biāo)影響的研究較少。

劉東海等[13]針對堆石料提出CV作為壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)，研究了CV與碾壓遍數(shù)、行車速度、鋪層厚度和激振力狀態(tài)的關(guān)系。其中激振力分為低頻高幅和高頻低幅兩種模式，圖1（a）和（b）分別為兩種振動模式碾壓情況下第2遍和第8遍碾壓的CV值，可以看出在相同碾壓遍數(shù)情況下，各測點在低頻高幅振動模式下的CV值明顯大于高頻低幅模式下的。但激振力狀態(tài)包含振動頻率和振幅兩個參數(shù)，該結(jié)果并沒有將兩個因素分離，因此不能直接說明振動頻率對CV的影響。

范娟等[14]采用正交試驗研究了振幅、振動頻率、碾壓速度和行駛速度4個因素對高速鐵路路基壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)CMV的影響，其中振動頻率采用了29.0、30.5、32.0、33.5 Hz四個水平。采用方差分析對4個因素進行了顯著性分析，結(jié)果見表1。可見，振動頻率對CMV具有顯著影響。

Mooney[12]總結(jié)了智能壓實（Intelligent Compaction，簡稱IC）的發(fā)展現(xiàn)狀。IC在連續(xù)壓實控制（Continuous Compaction Control，CCC）系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合了自動反饋系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測壓實質(zhì)量并調(diào)整碾壓參數(shù)，但目前IC并沒有實際應(yīng)用，主要原因是當(dāng)前壓實質(zhì)量評估模型沒有考慮碾壓參數(shù)變化。Mooney總結(jié)了各碾壓參數(shù)（如振幅、振動頻率、行車速度和行車方向）對各壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)的影響。圖2為振動頻率對CCV的影響，可以看出振動頻率為20 Hz情況下的CCV明顯大于振動頻率為25 Hz情況下的CCV。

雖然關(guān)于振動頻率對CMV的影響的研究取得了一些成果，但由于試驗?zāi)雺簷C沒有經(jīng)過專門的改造，因此存在頻率和振幅無法分離、頻率變化范圍較小和試驗采用的振動頻率較小等問題，是振動頻率局部范圍影響的研究，不能系統(tǒng)全面分析振動頻率對壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)的影響，也無法對影響原因進行準(zhǔn)確分析。

本文通過對振動碾壓機進行改造，實現(xiàn)振動頻率大范圍無級調(diào)節(jié)，采用不同的振動頻率對堆石料進行現(xiàn)場碾壓試驗，研究了振動頻率大范圍變化對壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)的影響，并對影響原因進行了分析。

2 現(xiàn)場碾壓試驗

為研究不同振動頻率對CMV的影響，在河南省前坪水庫進行了堆石料現(xiàn)場碾壓試驗。前坪水庫位于河南省洛陽市汝陽縣前坪村，為大（2）型水庫，主壩為黏土心墻土石壩?，F(xiàn)場碾壓試驗?zāi)雺翰牧蠟閴螝ざ咽?，由水庫上游料場開采，最大粒徑400 mm，含水率為3%～4%。

試驗機械為三一重工26 t振動碾壓機（見圖3），碾壓機進行了智能化改造，裝配有RTK-GPS系統(tǒng)和無級調(diào)頻系統(tǒng)。無級調(diào)頻系統(tǒng)由變量泵-定量馬達(dá)組成，通過控制變量泵電磁閥開口大小來控制進入振動馬達(dá)的液壓油流量，從而實現(xiàn)振動頻率的調(diào)節(jié)。改造后的碾壓機可實現(xiàn)振動頻率0～34 Hz范圍內(nèi)的無級調(diào)節(jié)。加速度傳感器量程為±10g，固定在振動輪上，可實時采集振動輪豎向振動加速度信號。碾壓機位置和車速可通過RTK-GPS系統(tǒng)實時獲得。

為研究振動頻率對CMV的影響及各振動頻率條件下CMV作為堆石料壓實質(zhì)量監(jiān)測指標(biāo)的適用性，采用頻率14、20、24、28、32 Hz進行碾壓試驗。各頻率試驗對應(yīng)一條長12 m的試驗條帶，共往返碾壓8遍，采集每一遍碾壓的振動輪振動加速度信號。采用快速傅里葉變換進行頻域分析并計算CMV。條帶每1 m長度計算一個CMV值，12個CMV的平均值作為該條帶的CMV值。最后在一條完全壓實的試驗條帶上采用12、14、16、18、20、22、24、28、32、34 Hz這10個振動頻率進行碾壓試驗，測定完全壓實堆石料上各頻率對應(yīng)的CMV。以上試驗車速均為0.69 m/s。

[3] MEEHAN C L， CACCIOLA D V， TEHRANI F S， et al. Assessing Soil Compaction Using Continuous Compaction Control and Location-Specific in Situ Tests[J]. Automation in Construction， 2017，73：31-44.

[4] LIU D， MIN L， SHUAI L. Real-Time Quality Monitoring and Control of Highway Compaction [J]. Automation in Construction，2016，62：114-123.

[5] SIMINIATI D， HREN D. Simulation on Vibratory Roller-Soil Interaction[J]. International journal Advanced Engineering，2008，2（1）：137-146.

[6] 任軍鋒，陳浙江.振動壓實系統(tǒng)動力學(xué)模型及其解析[J].建筑機械，2005（7）：70-73.

[7] SERGIU B. The Roller-Ground Dynamic Interaction in the Compaction Process Through Vibrations for Road Construction[J]. Romanian Journal of Transport Infrastructure，2016，5（2）：1-9.

[8] 龔創(chuàng)先.振動壓路機壓實性能研究與優(yōu)化[D].湘潭：湘潭大學(xué)，2013：31-40.

[9] WERSLL C， LARSSON S， RYDEN N， et al. Frequency Variable Surface Compaction of Sand Using Rotating Mass Oscillators[J]. Geotechnical Testing Journal，2015，38（2）：198-207.

[10] WERSLL C， NORDFELT I， LARSSON S. Resonant Roller Compaction of Gravel in Full-Scale Tests[J]. Transportation Geotechnics，2018，14：93-97.

[11] 王莉.基于地面振動信號對振動壓實頻率的研究[D].西安：長安大學(xué)，2009：10-18.

[12] MOONEY M A. Intelligent Soil Compaction Systems [M]. Washington， D.C.： Transportation Research Board，2010：47-50.

[13] 劉東海，李子龍，王愛國.堆石料壓實質(zhì)量實時監(jiān)測指標(biāo)與碾壓參數(shù)的相關(guān)性分析[J].天津大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)與工程技術(shù)版），2013，46（4）：361-366.

[14] 范娟，宋曉東，田利鋒，等.高速鐵路路基連續(xù)壓實質(zhì)量檢測指標(biāo)CMV影響因素分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2015（3）：463-467.

[15] ZHU X， BAI S， XUE G， et al. Assessment of Compaction Quality of Multi-Layer Pavement Structure Based on Intelligent Compaction Technology[J]. Construction & Building Materials， 2018，161：316-329.

[16] NIE Z H. Comparison Experimental Study on Subgrade Compaction Quality Test Methods[J]. Applied Mechanics & Materials，2011，71：4679-4684.

[17] 閆國棟.高速鐵路路基連續(xù)壓實質(zhì)量控制研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010：31-59.

[18] POWNUK A M， OLAGUE P B， KREINOVICH V. Why Compaction Meter Value （CMV） is a Good Measure of Pavement Stiffness： Towards a Possible Theoretical Explanation[J]. Математические структуры и моделирование， 2016，4（40）：48-54.

[19] 管迪.振動壓實中的次諧波振動與混沌[J].筑路機械與施工機械化，2007，24（6）：59-61.

[20] ANDEREGG R， KAUFMANN K. Intelligent Compaction with Vibratory Rollers Feedback Control Systems in Automatic Compaction and Compaction Control [J]. Transportation Research Record，2004（1）：124-134.

【責(zé)任編輯 張華巖】